基于FAT16文件系統(tǒng)的嵌入式溫度記錄器

摘要 以ARM7TDMIS為內(nèi)核的32/16位微控制器LPC2148與SD卡相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)在SD卡上建立FAT16文件系統(tǒng)。采集的溫度數(shù)據(jù)以FAT16文件格式存入SD卡，可方便用戶對(duì)溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取與分析。本文描述了溫度傳感器ADT75的工作原理。

關(guān)鍵詞  FAT16  LPC2148  SD卡  數(shù)字溫度傳感器  ADT75

　　閃存技術(shù)的不斷發(fā)展，使得閃存卡（如SD卡、MMC卡等）因其體積小、容量大、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)而在嵌入式存儲(chǔ)領(lǐng)域得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。 FAT16文件系統(tǒng)具有出色的文件管理性能，能被大多數(shù)操作系統(tǒng)識(shí)別，因此將閃存卡與FAT16文件系統(tǒng)相結(jié)合是嵌入式存儲(chǔ)、記錄系統(tǒng)中一個(gè)理想的方案。溫度采集與控制技術(shù)是現(xiàn)代測(cè)量、控制系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分。由于傳統(tǒng)的模擬傳感測(cè)量溫度系統(tǒng)存在測(cè)量精度低、易受干擾、硬件復(fù)雜、調(diào)試繁瑣等不利因素，而新型單片數(shù)字式溫度傳感器具有測(cè)量精度高、抗干擾能力強(qiáng)、操作方便、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用范圍越來(lái)越廣泛。本嵌入式數(shù)字溫度記錄器以ARM7微處理器 LPC2148、數(shù)字溫度傳感器ADT75為基礎(chǔ)，采用大容量SD卡作為存儲(chǔ)介質(zhì)，實(shí)現(xiàn)了FAT16文件系統(tǒng)，為溫度采集與記錄、嵌入式系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)提供了一個(gè)理想的解決方案。

1  硬件設(shè)計(jì)

　　本溫度記錄器的硬件電路實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，主要包含2個(gè)部分：SD卡讀/寫單元電路、ADT75測(cè)溫單元電路。如圖1所示，LPC2148通過(guò)SPI總線讀/寫SD卡，通過(guò)I2C總線讀/寫ADT75實(shí)現(xiàn)溫度的采集。

圖1  溫度采集器硬件電路

1.1  SD卡與LPC2148的硬件接口設(shè)計(jì)

　　SD卡是一種基于NAND Flash的存儲(chǔ)卡。由于它具有安全性高、容量大、體積小、功耗低、非易失性等優(yōu)點(diǎn)，目前在嵌入式系統(tǒng)中已取得越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

　　SD卡支持2種接口模式：SD卡模式、SPI模式[1] 。SD卡模式采用4根數(shù)據(jù)線并行傳輸，速度快，但協(xié)議實(shí)現(xiàn)復(fù)雜；SPI模式雖然速度性能與SD模式相比有所欠缺，但協(xié)議實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，操作方便。

　　SD卡共有9個(gè)引腳，在SD模式下與SPI模式下各引腳的定義不相同。在SPI模式下，SD卡1～7引腳依次為片選引腳CS、數(shù)據(jù)輸入DI、電源地、電源VDD、時(shí)鐘信號(hào)CLK、電源地、數(shù)據(jù)輸出DO,8腳與9腳在SPI模式下保留未用。由于SPI總線通信協(xié)議要求在空閑時(shí)SPI總線應(yīng)保持高電平，因此CS、DI、DO、CLK應(yīng)外接10 kΩ左右的上拉電阻。

1.2  ADT75測(cè)溫工作原理

　　ADT75ARZ是ADI公司推出的一款低功耗、高分辨率的溫度傳感器。它內(nèi)含12位A/D轉(zhuǎn)換器，具有SMBus/I2C兼容接口，有超溫指示輸出引腳，額定工作溫度范圍為-55～+125 ℃，分辨率可達(dá)0．062 5 ℃，功耗低，工作電壓是3～5．5 V[2]。其典型應(yīng)用電路如圖1所示。

　　ADT75的工作過(guò)程如下：ADT75通過(guò)內(nèi)部的溫度傳感器將采集的溫度轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)。此電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)內(nèi)部的∑Δ調(diào)節(jié)器后輸入至12位A/D 轉(zhuǎn)換器，A/D轉(zhuǎn)換后的12位溫度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于溫度數(shù)據(jù)寄存器中，并將該溫度數(shù)據(jù)與溫度限定寄存器的值相比較，如果超過(guò)設(shè)定值，則引腳OS輸出有效電平。 OS引腳輸出的有效電平可在配置寄存器中設(shè)定。

　　ADT75內(nèi)部有5個(gè)寄存器： 4個(gè)數(shù)據(jù)寄存器，1個(gè)地址指針寄存器。4個(gè)數(shù)據(jù)寄存器分別為配置寄存器、溫度數(shù)據(jù)寄存器、THYST定值寄存器、TOS定值寄存器。配置寄存器是8位可讀 /寫寄存器，可將ADT75設(shè)為各種模式，如關(guān)斷、超溫中斷、單步、SMBus報(bào)警使能、OS/ALERT引腳極性等；16位溫度數(shù)據(jù)寄存器是只讀寄存器，溫度值在其中以二進(jìn)制補(bǔ)碼形式存儲(chǔ)，讀取時(shí)先讀取高8位，再讀取低8位；THYST定值寄存器與TOS定值寄存器均為16位可讀/寫寄存器，16位數(shù)據(jù)均以二進(jìn)制補(bǔ)碼形式存儲(chǔ)，它們的默認(rèn)極限溫度分別為+75 ℃、+80 ℃（TOS存放了超溫限定值，THYST存放了滯后溫度限定值，當(dāng)測(cè)量溫度≥TOS設(shè)定的溫度值時(shí)，OS引腳輸出有效電平，直到溫度降至THYST以下時(shí)，OS引腳輸出電平才變?yōu)闊o(wú)效電平）。地址寄存器是一個(gè)8位的寄存器，在讀/寫ADT75內(nèi)部各寄存器時(shí)，需將該寄存器的地址寫入地址寄存器中。例如，若要讀取ADT75的溫度數(shù)據(jù)值，則需將溫度數(shù)據(jù)寄存器的地址0x00寫入地址寄存器中。

　　LPC2148具有兩路標(biāo)準(zhǔn)I2C接口： P0.2與P0.3構(gòu)成第一路I2C接口，與其他I2C器件通信時(shí)，需接上拉電阻；另一路I2C接口由于內(nèi)部已配置上拉電阻，因此可不外接上拉電阻。

1.3  32位微控制器LPC2148

　　LPC2148是Philips公司推出的一款支持實(shí)時(shí)仿真的32位/16位的具有ARM7TDMIS內(nèi)核的微控制器，含有40 KB片內(nèi)RAM和512 KB片內(nèi)Flash存儲(chǔ)器，支持ISP與IAP操作[3]。它接口資源豐富，含有2路32位定時(shí)器，1個(gè)USB 2.0 全速設(shè)備控制器，2個(gè)支持16C550的串行UART接口，2路支持高速總線的I2C接口，1路SPI接口及片上RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘等。LPC2148內(nèi)含 PLL鎖相環(huán)部件，可將主頻提高到60 MHz下運(yùn)行。LPC2148支持Thumb指令，在代碼規(guī)模受到約束的場(chǎng)合，可在Thumb狀態(tài)下運(yùn)行。LPC2148采用超小LQFP64封裝，工作電壓為3.3 V，適用于工業(yè)控制、醫(yī)療系統(tǒng)、訪問控制、 通信網(wǎng)關(guān)、嵌入式軟modem等場(chǎng)合。

　　本記錄器主要利用了它的SPI總線接口、I2C接口、RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘及豐富的RAM資源等功能單元。LPC2148的RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘的時(shí)鐘源可由獨(dú)立的32.768 kHz晶振提供，并且RTC部件還有專門的電源引腳VBAT，它可由外部電池供電。本采集器采用了32.768 kHz外部晶振并使用電池供電，使得在采集器掉電后，RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘可以繼續(xù)運(yùn)行。

2  SD卡FAT16文件系統(tǒng)分析

　　FAT（File Allocation Table，文件分配表）文件管理系統(tǒng)[4]是由微軟發(fā)布的由MSDOS支持的一種文件管理系統(tǒng)。在FAT發(fā)展過(guò)程中，先后發(fā)布了FAT12、 FAT16、FAT32三個(gè)版本。其中FAT16是指磁盤的一個(gè)分區(qū)最多含有2的16次方個(gè)簇，由于每個(gè)簇的最大存儲(chǔ)空間只有32 KB，因此磁盤的一個(gè)分區(qū)的存儲(chǔ)容量最大為2 GB。由于一般SD卡的容量大小不超過(guò)2 GB，所以SD卡通常只作為一個(gè)分區(qū)。

　　SD卡支持FAT12與FAT16文件系統(tǒng)[5]。表1描述了本文中512 MB SD卡的文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

表1  512 MB SD卡文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　SD卡中的保留扇區(qū)，一般不應(yīng)向該扇區(qū)寫入數(shù)據(jù)。若寫入不正確的數(shù)據(jù)，則會(huì)破壞SD卡的文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致SD卡在PC機(jī)上無(wú)法識(shí)別。

　　在FAT文件系統(tǒng)中，BPB（Bios Parameter Block，本分區(qū)參數(shù)記錄表）是一個(gè)很重要的參數(shù)表。它表明了該分區(qū)的一系列重要基本參數(shù)，例如總扇區(qū)數(shù)、每個(gè)簇的空間大小、FAT表占用的扇區(qū)數(shù)等。在SD卡中，保留扇區(qū)的第一個(gè)扇區(qū)（即分區(qū)記錄扇區(qū)）的第12～36字節(jié)即為BPB。表2給出了BPB各字段的內(nèi)容及說(shuō)明。

表2  512 MB SD卡BPB各字段內(nèi)容

　　由于FAT文件系統(tǒng)采用鏈?zhǔn)酱鎯?chǔ)原理，因此FAT表格中記錄了每個(gè)文件的起始簇號(hào)、后繼簇號(hào)、終止簇號(hào)。本文中，用FAT[i]表明在FAT表中簇號(hào)為i的字段的內(nèi)容，且每個(gè)FAT[i]占用2個(gè)字節(jié)。在FAT16文件系統(tǒng)中，由于FAT[0]與FAT[1]默認(rèn)值為0xFFFF，因此FAT表從FAT[2]開始存儲(chǔ)文件的起始簇號(hào)與終止簇號(hào)，所以文件的起始簇號(hào)為0x0002。在FAT表中，用0x0000表明該簇號(hào)對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)空間沒有被文件占用，用0x0002～0xFFFE的值表明起始簇號(hào)與存儲(chǔ)后繼內(nèi)容的下一個(gè)簇的簇號(hào)，若一個(gè)文件在簇號(hào)為i的存儲(chǔ)空間終止，則應(yīng)在FAT[i]中寫入 0xFFFF。在第2個(gè)FAT表格之后是DIR區(qū)，每個(gè)FAT16文件都對(duì)應(yīng)一個(gè)目錄，每個(gè)目錄的大小為32字節(jié)。由于DIR占用了32個(gè)扇區(qū)，所以在 DIR中總共可有512個(gè)登記項(xiàng)，這也可通過(guò)讀取BPB表中的字段BPB_RootEntCnt得到。

　　如在SD卡上新建FAT文件，應(yīng)首先在FAT表中查找尚未被使用的簇號(hào)，確定文件的起始簇號(hào)，并根據(jù)文件的大小，確定文件在FAT表格中的終止簇號(hào)，在相應(yīng)的FAT[i]中寫入起始與終止簇號(hào)。之后應(yīng)在DIR區(qū)申請(qǐng)一個(gè)登記項(xiàng)，實(shí)際上就是在DIR區(qū)中建立一個(gè)32字節(jié)的文件目錄。最后在數(shù)據(jù)區(qū)對(duì)應(yīng)該文件的扇區(qū)上寫入文件數(shù)據(jù)。

3  軟件設(shè)計(jì)

3.1  SD卡與LPC2148的底層軟件接口設(shè)計(jì)

　　SD卡在上電復(fù)位后，自動(dòng)進(jìn)入SD模式，因此本設(shè)計(jì)中SD卡與LPC2148的底層軟件接口設(shè)計(jì)主要是指如何使得SD卡進(jìn)入SPI模式，并在SPI模式下對(duì)SD卡的內(nèi)存單元實(shí)現(xiàn)讀/寫操作。

圖2  SD卡初始化流程

　　圖2描述了SD卡在上電復(fù)位后的初始化流程。在SD卡上電復(fù)位后，SD卡控制器在向SD卡發(fā)送任何命令之前，應(yīng)向SD卡發(fā)送至少74個(gè)時(shí)鐘周期，以等待SD卡完成上電復(fù)位過(guò)程，而且此時(shí)控制器應(yīng)將片選信號(hào)線置高。在上電復(fù)位完成后，將片選信號(hào)線CS置低，即選中SD卡，且發(fā)送軟件復(fù)位指令（CMD0），SD卡即可進(jìn)入SPI模式，并且處于空閑狀態(tài)。之后若要對(duì)SD卡實(shí)現(xiàn)讀寫操作，主機(jī)端LPC2148應(yīng)持續(xù)發(fā)送激活指令（CMD1），直到收到SD卡正確的響應(yīng)數(shù)據(jù)0x00，表明SD卡已經(jīng)退出空閑狀態(tài)，可以對(duì)SD卡寄存器進(jìn)行讀/寫以及實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸操作。

　　在完成上述操作后，應(yīng)設(shè)置一次性寫入或者讀取SD卡的數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度，這可通過(guò)發(fā)送設(shè)置塊長(zhǎng)度指令（CMD16）來(lái)實(shí)現(xiàn)。本設(shè)計(jì)中設(shè)定一次讀/寫的數(shù)據(jù)塊長(zhǎng)度為512字節(jié)。當(dāng)要讀取、寫入SD卡某一數(shù)據(jù)塊的內(nèi)容時(shí)，可通過(guò)發(fā)送讀取數(shù)據(jù)指令（CMD17）、寫數(shù)據(jù)塊指令（CMD24）來(lái)完成。

3.2  讀取溫度值

　　當(dāng)LPC2148要讀取ADT75各寄存器的內(nèi)容時(shí)，都需要經(jīng)過(guò)先寫入再讀取的步驟。在寫ADT75時(shí)，需由地址指針寄存器指出將讀取的寄存器地址。圖3描述了讀取ADT75溫度數(shù)據(jù)的時(shí)序。

圖3  讀取ADT75溫度數(shù)據(jù)的時(shí)序

　　由于溫度數(shù)據(jù)寄存器的地址值為0x0，因此寫入地址寄存器的內(nèi)容為0。在ADT75給出應(yīng)答信號(hào)后，LPC2148給出讀信號(hào)，即在第9個(gè)時(shí)鐘周期將數(shù)據(jù)線SDA置為高電平，表明是讀取數(shù)據(jù)。之后LPC2148讀取溫度數(shù)據(jù)的高8位，再讀取數(shù)據(jù)的低8位，且LPC2148應(yīng)在每個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)讀取結(jié)束后，給出低電平的應(yīng)答信號(hào)。當(dāng)溫度數(shù)據(jù)完成后，LPC2148傳送結(jié)束時(shí)序，結(jié)束數(shù)據(jù)讀操作。在12位溫度數(shù)據(jù)格式下，讀取的16位溫度數(shù)據(jù)低4位為 0，將其取補(bǔ)碼后，再除上16（浮點(diǎn)除法），就是實(shí)測(cè)的溫度。

3.3  軟件主流程

　　在本溫度記錄器的設(shè)計(jì)中，利用LPC2148片上RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘提供的秒中斷、分中斷、天中斷功能實(shí)現(xiàn)ADT75溫度數(shù)據(jù)的定時(shí)采集、存儲(chǔ)和文件的建立。

　　當(dāng)RTC的秒中斷時(shí)，LPC2148通過(guò)I2C總線在400 kHz的速率下讀取ADT75的溫度數(shù)據(jù)，并將溫度數(shù)據(jù)存于LPC2148內(nèi)部RAM中。為了便于用戶使用讀卡器在PC機(jī)上讀取存入的溫度數(shù)據(jù)，每秒鐘存入RAM中的數(shù)據(jù)為22字節(jié)，且均為ASCII字符,數(shù)據(jù)格式如表3所列。

表3  存儲(chǔ)數(shù)據(jù)格式

　　其中前4個(gè)字節(jié)為溫度的實(shí)時(shí)采集時(shí)間，存儲(chǔ)的時(shí)間內(nèi)容為時(shí)、分、秒。第1個(gè)溫度數(shù)據(jù)采用十六進(jìn)制表示；第2個(gè)8字節(jié)的溫度數(shù)據(jù)為轉(zhuǎn)換后的實(shí)際溫度值，每條記錄均以回車（ASCII碼為0x0D）、換行（ASCII碼為0x0A）結(jié)束。例如，在12時(shí)0分59秒采集的溫度數(shù)據(jù)為0x1910，則存入RAM中的數(shù)據(jù)為“120059 1910＋025.625<CR><LF>”。

　　當(dāng)RTC的分中斷時(shí)，LPC2148將臨時(shí)存于RAM中的數(shù)據(jù)存入SD卡中。這樣可減少對(duì)SD卡的寫操作次數(shù)，延長(zhǎng)SD卡的使用壽命。

　　當(dāng)RTC的天中斷時(shí)，LPC2148將在SD卡上新建一個(gè)新的記事本文件（.txt文件），文件名即為當(dāng)天的日期，例如2007年10月6日建立的文件名為“071006.txt”。由于每分鐘寫入SD卡的數(shù)據(jù)為22×60＝1 320字節(jié)，因此每個(gè)文件的最大容量是1 856 KB。對(duì)于一張512 MB的SD卡，可保存約1年的溫度數(shù)據(jù)。

　　圖4描述了本設(shè)計(jì)的軟件主流程。在實(shí)現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)的采集與存儲(chǔ)之前，需正確配置LPC2148的SPI總線控制寄存器、I2C控制寄存器及RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘寄存器。

結(jié)語(yǔ)

　　ADT75是一款完善的數(shù)字溫度傳感器，具有I2C總線接口；LPC2148功能強(qiáng)大，外設(shè)接口資源豐富。將LPC2148與ADT75通過(guò) I2C總線相結(jié)合，即可實(shí)現(xiàn)分布式多點(diǎn)溫度采集。SD卡FAT16文件系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方便了用戶讀取與分析采集的溫度數(shù)據(jù)。本文為嵌入式系統(tǒng)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、溫度數(shù)據(jù)的分布采集與記錄提供了一個(gè)切實(shí)可行的解決方案。

圖4  軟件主流程

參考文獻(xiàn)

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檀永(碩士)，主要研究方向?yàn)樾盘?hào)檢測(cè)與控制。